基于lifemod的體操運(yùn)動員-跳桌系統(tǒng)模型的建立與仿真研究

基于lifemod的體操運(yùn)動員-跳桌系統(tǒng)模型的建立與仿真研究

1跳馬運(yùn)動仿真及分析在競技體育比賽中，跳躍運(yùn)動員通常會選擇合適的耐力、快速的握力、足夠有力的肩膀扶手、艱難的空中跳躍和跳躍以及穩(wěn)定的推進(jìn)來獲得分?jǐn)?shù)，并取得良好的成績。其中,推手階段是跳馬運(yùn)動員從觸馬到推離馬的運(yùn)動過程,是成功完成跳馬動作非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一,其主要原因是該階段獲得的技術(shù)參數(shù)將成為完成空中高難度翻騰/轉(zhuǎn)體技術(shù)的基礎(chǔ)。因此,一些研究逐漸開始關(guān)注跳馬運(yùn)動員推手階段的動力學(xué)作用機(jī)制,尋求提高運(yùn)動表現(xiàn)的生物力學(xué)因素。Gervais(1994)利用5個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型來模擬前手翻動作的推手階段,發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀跳馬運(yùn)動員的推手時(shí)間較短,而第二騰空的時(shí)間、撐馬后的垂直起跳速度和角動量都略大一些。King等(1999)通過2個(gè)環(huán)節(jié)的人體模型對后擺水平跳和前手翻接空翻動作的第一騰空參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明前手翻接空翻動作需要較高的第一騰空高度、身體角速度。Koh等(2003)發(fā)現(xiàn),增加觸馬瞬間的角度和角速度,可以提高跳馬運(yùn)動員推手階段的角動量和垂直起跳速度,后來又指出改變第一騰空的身體環(huán)節(jié)角速度還能提高直體后空翻的運(yùn)動成績。上述的理論研究雖然從不同的角度對跳馬技術(shù)進(jìn)行仿真研究,加深對推手技術(shù)的理解,但也存在一些不足。首先,這些理論研究的模型過于簡單,很難進(jìn)行深入、詳細(xì)的研究;其次,國際體操聯(lián)合會(FIG)2001年后推出新的體操器械———跳桌(VaultTable),如果再利用跳馬運(yùn)動員與馬(VaultHorse)之間相互作用的研究結(jié)果來解決當(dāng)前推手階段存在的生物力學(xué)問題略顯牽強(qiáng);最后,至今仍沒有研究明確指出體操運(yùn)動員在實(shí)際推手過程中承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷以及跳桌力學(xué)特性的改變對內(nèi)、外沖擊負(fù)荷和技術(shù)動作的影響。基于上述原因,有必要對高水平跳馬運(yùn)動員的推手階段進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,通過建立個(gè)性化的跳馬運(yùn)動員和跳桌模型,并完成跳馬運(yùn)動員-跳桌系統(tǒng)模型的可靠性驗(yàn)證,進(jìn)一步量化承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷大小,以及跳桌力學(xué)特性的改變對內(nèi)、外沖擊負(fù)荷大小和撐馬后起跳效果的影響,為跳馬運(yùn)動員推手技術(shù)的優(yōu)化以及上肢關(guān)節(jié)的損傷預(yù)防提供依據(jù)。2學(xué)習(xí)方法2.1女子跳馬運(yùn)動員三維建模本研究通過2臺高速攝像機(jī)(CASIOEX-F1),拍攝頻率設(shè)為300Hz,快門速度為1/320s。對2011年全國體操錦標(biāo)賽女子跳馬冠軍完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°進(jìn)行三維運(yùn)動學(xué)采集。該運(yùn)動員身高為1.38m,體重為31kg。采用的標(biāo)定框架為三維PEAK,含25個(gè)標(biāo)志點(diǎn)(Marker)。利用三維運(yùn)動分析系統(tǒng)SIMIMotion(德國,SIMI公司)對體操運(yùn)動員跳馬的推手過程進(jìn)行數(shù)字化,同時(shí)展開人體14個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字化解析。通過二階Butterworth低通濾波對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾(10Hz),最后得到優(yōu)秀女子跳馬運(yùn)動員完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°技術(shù)動作的主要運(yùn)動學(xué)參數(shù)。其中,推手階段定義為從左手觸馬瞬間至右手推離馬結(jié)束,為了減小數(shù)據(jù)處理的誤差,在視頻采集和解析過程中分別向前和向后選取20fps。2.2人體慣性參數(shù)模型在人體運(yùn)動仿真軟件LifeMod(美國,BRG公司)中輸入受試對象的性別、年齡、身高和體重等人體形態(tài)參數(shù),根據(jù)人體模型數(shù)據(jù)庫GeBoD(GeneratorofBodyData)中的回歸方程計(jì)算得到環(huán)節(jié)長度、圍度和人體慣性參數(shù)等,構(gòu)建19個(gè)環(huán)節(jié)模型(圖1)。通過不同自由度的關(guān)節(jié)鉸鏈把各關(guān)節(jié)鏈接在一起,其中環(huán)節(jié)間有44個(gè)自由度,外加6個(gè)空間坐標(biāo),因此,人體模型共有50個(gè)自由度。利用Python腳本語言編寫的接口插件,把人體運(yùn)動的三維運(yùn)動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成LifeMod識別的SLF文件,繼而展開人體模型的關(guān)節(jié)中心與實(shí)際運(yùn)動捕捉的關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的匹配,最終完成人體模型的建立。根據(jù)國際體操聯(lián)合會(FIG)跳馬器械的比賽要求和中華人民共和國體操器械的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T8393),在機(jī)械動力學(xué)軟件ADAMS環(huán)境下建立跳桌的簡化模型(圖2),其力學(xué)特性與實(shí)際較為接近,且平面與基柱之間利用一個(gè)軸承鉸鏈連接,同時(shí),基柱與大地固定在一起,確保推手過程跳桌不會發(fā)生任何移動或轉(zhuǎn)動。2.3人體平衡分析在初步建立人體模型之后,對任意兩個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)節(jié)鉸鏈賦予約束,并調(diào)整人體模型的初始狀態(tài),使之更接近實(shí)際的運(yùn)動情況。隨后進(jìn)行平衡分析,完成人體模型的關(guān)節(jié)中心和實(shí)際運(yùn)動的人體關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的匹配。跳桌模型建立之后,并與人體模型接觸,通過逆向動力學(xué)分析,記錄推手過程中人體的運(yùn)動軌跡和各個(gè)關(guān)節(jié)力和力矩。最后進(jìn)行正向動力學(xué)分析,在關(guān)節(jié)力和力矩的驅(qū)動下,完成跳馬運(yùn)動員推手過程的模擬仿真(圖3)。2.4復(fù)相關(guān)系數(shù)的描述計(jì)算解析所得的跳馬運(yùn)動員推手過程中運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)與仿真所得的接觸時(shí)間、重心速度、各關(guān)節(jié)角度進(jìn)行均方根差(Root-Mean-SquareDifferences),如公式1所示。隨后調(diào)整跳桌的力學(xué)特性參數(shù),當(dāng)公式(2)S出現(xiàn)最小值時(shí),表明該狀態(tài)下仿真模型達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。其中,xi和yi分別表示實(shí)驗(yàn)值和仿真值,Δδ表示兩者的均方根差;ΔT表示接觸時(shí)間差,ΔV是運(yùn)動過程中重心速度在垂直方向上的均方根差,Δαi分別為上肢各關(guān)節(jié)角度的均方根差。通過復(fù)相關(guān)系數(shù)(CoefficientofMultipleCorrelation,CMC),對仿真與實(shí)際運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)角度變化曲線進(jìn)行相似度的描述,以及兩次仿真之間的相似程度,進(jìn)一步來說明本研究建立的系統(tǒng)模型的有效性。具體的復(fù)相關(guān)系數(shù)表達(dá)如公式(3)所示。其中,m是曲線的條數(shù),n是每條曲線中含有數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),xij是第i條曲線的第j個(gè)數(shù)據(jù),是m條曲線的第j個(gè)數(shù)據(jù)的平均值,ue0af是m條曲線n個(gè)數(shù)據(jù)的總體均值。當(dāng)各組曲線非常相似時(shí),方差比趨于0,CMC就會接近于1,反之則相反。系統(tǒng)模型的可靠性驗(yàn)證之后,展開跳桌力學(xué)特性的敏感性分析研究,主要是通過修改創(chuàng)建跳桌模型時(shí)賦予的剛度和阻尼系數(shù),探尋跳桌力學(xué)特性的改變對跳馬運(yùn)動員推手過程上肢關(guān)節(jié)負(fù)荷和撐馬后起跳效果的影響。當(dāng)然,仿真過程跳馬運(yùn)動員的推手技術(shù)要保證在FIG的允許范圍之內(nèi),同時(shí)人體在運(yùn)動過程中受到其運(yùn)動軌跡的約束。3結(jié)果3.1推動過程與仿真的cmc比較本研究嘗試通過比較仿真與實(shí)際運(yùn)動過程中的接觸時(shí)間、關(guān)節(jié)角度以及推手過程中體操運(yùn)動員受到的垂直反作用力等參數(shù),來驗(yàn)證體操運(yùn)動員-跳桌系統(tǒng)模型的可靠性。首先,發(fā)現(xiàn)體操運(yùn)動員在實(shí)際跳馬過程中的推手時(shí)間是0.198s,其中,左、右手的推手時(shí)間分別為0.127s和0.134s,由于完成動作冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°,兩手觸馬的間隔時(shí)間僅為0.067s。而仿真的推手總時(shí)間為0.188s,其中,左、右手的推手時(shí)間分別為0.112s和0.116s,間隔時(shí)間為0.071s。其次,以肩關(guān)節(jié)變化為例,發(fā)現(xiàn)左、右肩關(guān)節(jié)在實(shí)際運(yùn)動與仿真中兩者的CMC相似度分別為0.937和0.957(圖4),表明兩者在變化趨勢上是高度相似的。另外,在推手階段的撐馬反作用力(TableReactionForce,TRF)上,本研究的左、右手TRF峰值分別為1.37BW(BodyWeight,BW)和1.40BW,與一些鞍馬支撐階段的TRF峰值較為接近。同時(shí),兩次仿真得到推手過程的TRF變化曲線其相似度也高于80%。3.2左、右肘、節(jié)之間的載荷體操運(yùn)動員在推手過程中,左、右手受到垂直方向上的TRF平均值分別為0.69BW和0.87BW,峰值分別為1.37BW和1.40BW(圖5)。其中,左、右手達(dá)到TRF峰值的時(shí)間分別為56.8ms和54.4ms,負(fù)荷率(LoadingRates,LR)分別為24.12BW/s和26.29BW/s。由于完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°時(shí),左手會通過上肢關(guān)節(jié)的屈曲來緩沖較大的TRF,導(dǎo)致觸馬后有一個(gè)明顯的衰減,與動作特征十分接近。在運(yùn)動方向上,左、右手首先受到向后的阻力,隨后制動后受到向前的推力。另外,左手首先觸馬致使承受的阻力較大(圖5a)。同時(shí),上肢的腕、肘和肩關(guān)節(jié)受到的關(guān)節(jié)反作用力(JointReactionForce,JRF)逐步減小,但減小的幅度不是很明顯(圖6)。上肢左腕、左肘和左肩關(guān)節(jié)分別承受的JRF峰值為509.44N、498.25N和497.31N,其中,左側(cè)肘關(guān)節(jié)到達(dá)JRF峰值的時(shí)間最短為44.1ms。因此,造成其負(fù)載率最大,為11.30N/ms(表1);而推手過程中右腕、右肘和右肩關(guān)節(jié)承受的JRF峰值分別為431.90N、418.16N和405.86N,且同左側(cè)相比,右側(cè)上肢各關(guān)節(jié)的JRF峰值減小的幅度較大。本文定義關(guān)節(jié)力矩(JointTorques,JT),其值為正時(shí)表示伸力矩的作用是伸展關(guān)節(jié),反之為屈力矩,其作用是屈曲關(guān)節(jié)。左側(cè)肘關(guān)節(jié)在推手過程與桌面接觸,伴隨著明顯的屈曲動作,表明在矢狀面內(nèi)肘關(guān)節(jié)的屈力矩在對抗沖擊(峰值為-36.15N·m)。隨后快速打開,又產(chǎn)生伸力矩(峰值為55.54N·m)來加速頂肩的力度。而肩關(guān)節(jié)則相反,為了提高推手的高度,提前打開肩關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生伸力矩,隨后快速的屈曲維持身體的平衡,產(chǎn)生較大的屈力矩(圖7a)。而右側(cè)上肢與跳桌面接觸時(shí),矢狀面內(nèi)肩關(guān)節(jié)的伸力矩較大,其峰力矩為78.82N·m,其次是矢狀面內(nèi)肘關(guān)節(jié)的屈力矩(峰力矩為-57.17N·m)。而對于腕關(guān)節(jié)而言,由于作用力臂很小,造成兩側(cè)的腕關(guān)節(jié)力矩峰值最小(圖7b)。3.3跳堂剛度對左、右協(xié)同跳堂載荷的影響通過改變跳桌的剛度和阻尼系數(shù),探討對體操運(yùn)動員推手階段承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷以及推離馬后垂直起跳速度的影響,希望藉此來了解推手過程人-器械之間的動力學(xué)作用機(jī)制,尋找合適的方法和途徑來提高運(yùn)動成績。在推手過程中,體操運(yùn)動員左側(cè)受到的撐馬反作用力(TRF)峰值、關(guān)節(jié)反作用力峰(JRF)值、關(guān)節(jié)力矩(JT)、關(guān)節(jié)負(fù)荷率(LR)以及推離馬后的垂直起跳速度均隨著跳桌剛度的增加而增大,右側(cè)上肢則相反(關(guān)節(jié)負(fù)載率除外)。當(dāng)增加跳桌的阻尼系數(shù),左、右手受到的TRF峰值、上肢各關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)力矩以及推離馬后的垂直起跳速度都隨之減小;左側(cè)上肢的JRF峰值和關(guān)節(jié)負(fù)載率卻隨之明顯增加,而右側(cè)上肢的JRF峰值、JT峰值則隨之減小(表1)。同時(shí),不管跳桌的剛度如何變化,左側(cè)肘關(guān)節(jié)到JRF峰值的時(shí)間總是最短,且負(fù)載率最大。當(dāng)跳桌的阻尼系數(shù)增加,雖然體操運(yùn)動員的外在負(fù)荷(TRF峰值)有所減小,但部分內(nèi)在沖擊負(fù)荷(JRF峰值和LR)卻明顯增大(表1)。4左、右下疊置動作技術(shù)動作由于研究對象是國家體操隊(duì)優(yōu)秀運(yùn)動員,因此,在系統(tǒng)模型的驗(yàn)證上,很難實(shí)現(xiàn)在跳桌下放置嵌入式的壓力墊(PressureMat),來量化體操運(yùn)動員在推手過程受到的垂直反作用力;或者放置壓力板(ForcePlate),通過力的傳遞獲取跳馬運(yùn)動員推手過程人-桌之間的相互作用力。所以,本研究嘗試通過仿真后的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)動學(xué)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)動相比較,同時(shí)結(jié)合前期鞍馬運(yùn)動中的支撐反作用力,進(jìn)一步佐證所建立的跳馬運(yùn)動員-跳桌系統(tǒng)模型的可靠性。結(jié)果表明,基于LifeMod建立的人-器械系統(tǒng)模型不論從運(yùn)行時(shí)間,還是從運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方面,都是比較合理、可行的。說明通過高速攝像機(jī)對人體運(yùn)動進(jìn)行動作捕捉,并進(jìn)行人工解析獲取運(yùn)動學(xué)參數(shù),在此基礎(chǔ)上建立多體系統(tǒng)模型來模擬仿真,能較真實(shí)地反映出人體運(yùn)動的實(shí)際情況。推手階段是從左手撐馬至右手推離馬的運(yùn)動過程,是完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。該類型動作最明顯的特點(diǎn)就是左手首先撐馬,且伴隨著左臂彎曲。這一特征在仿真中也有所體現(xiàn)(圖5a),左手垂直方向上受到的TRF在觸馬后出現(xiàn)衰減,因?yàn)榈谝或v空的時(shí)間較短,勢必通過快速的左手撐馬和左臂彎曲來補(bǔ)償身體重心位置的不足。同時(shí),體操運(yùn)動員在推手過程中左、右手受到的TRF峰值在垂直方向上分別為1.37BW和1.40BW(圖5),這與Fujihara鞍馬支撐階段垂直反作用力的研究相比,兩者在數(shù)量級上十分相似。當(dāng)然,由于項(xiàng)目、性別、完成的動作類型均不相同,存在些許差異也不足為奇。Sleeley等(2005)通過測力臺放置在體操墊下,對跳馬和自由體操中的踺子階段上肢的后支撐手(TheTrailHand)承受的地面反作用力進(jìn)行測量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其負(fù)載率分別為28.57BW/s和19.15BW/s,與本研究結(jié)果也較接近。Jackson等(2011)曾指出,推手過程會出現(xiàn)接觸、手向前滑行、推離和手指向后滑行幾個(gè)階段,表明跳馬運(yùn)動員首先受到向后的阻力,推離階段又受到向前的推力,這與本研究的結(jié)果也較為相似(圖5)。同時(shí),在完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°的動作過程中,跳馬運(yùn)動員上肢的腕、肘和肩關(guān)節(jié)承受的JRF峰值逐次減小,但差別不大(圖6)。說明上肢的尺骨和橈骨在對沖擊負(fù)荷的衰減上無法與下肢相提并論,主要原因是下肢擁有較大的脛骨、腓骨,同時(shí),腳弓和足跟都能很好的消散沖擊負(fù)荷。因此,為了更好地完成技術(shù)動作,高水平運(yùn)動員應(yīng)當(dāng)積極地進(jìn)行上肢力量訓(xùn)練,不僅可以提供更大的力量保證技術(shù)動作的完成,還能有效地抵抗沖擊。當(dāng)增加跳桌的剛度,上肢左側(cè)的TRF峰值、JRF峰值、JT峰值都隨之增大,由于到達(dá)峰值力的時(shí)間隨之減少,造成其LR明顯增大(表1)。然而,推離馬后的垂直起跳速度卻沒有顯著提高,同時(shí),右側(cè)的TRF峰值、JRF峰值、JT峰值以及垂直起跳速度都隨之減小。因此,增加跳桌的剛度只能使跳馬運(yùn)動員左側(cè)上肢承受更大的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷,同時(shí),推離馬后的垂直起跳效果也沒有得到改善。另外,增加跳桌